直流無(wú)刷電機(jī)與驅(qū)動(dòng)技術(shù)【技術(shù)經(jīng)驗(yàn)】

1、PMSM的問(wèn)題,控制比直流伺服電機(jī)要復(fù)雜的多； 要想實(shí)現(xiàn)力矩控制，必須有角位置傳感器，以測(cè)量d-q坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角； 反電勢(shì)必須是正弦波的，這對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)及制造工藝提出了較高的要求,反電勢(shì)必須是正弦波的才能產(chǎn)生正弦電流,1,學(xué)習(xí)研究,3.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) （Brushless Direct Current Motor ,BLDC,1、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu) 2、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理 3、力矩和速度的控制 4、PWM控制技術(shù),2,學(xué)習(xí)研究,1. 結(jié)構(gòu),由定子、轉(zhuǎn)子、檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置的傳感器及換相電路組成 。 定子采用疊片結(jié)構(gòu)并在槽內(nèi)鋪設(shè)繞組的方式 。 定子繞組多采用三相并以星形方式連接,3,學(xué)習(xí)研究

2、,將永磁體貼裝在非導(dǎo)磁材料表面或鑲嵌在其內(nèi)構(gòu)成。 大部分BLDC采用表面安裝方式。 多為2到3對(duì)極的。 磁性材料多采用具有高磁通密度的稀土材料，如銣鐵硼等,4,學(xué)習(xí)研究,結(jié)構(gòu)上BLDC與PMSM有些相似，但有兩點(diǎn)不同： BLDC的轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)專門(mén)的磁路設(shè)計(jì)，可獲得梯形波的氣隙磁場(chǎng)。而 PMSM的氣隙磁場(chǎng)是正弦波的。 BLDC的定子繞組結(jié)構(gòu)使之產(chǎn)生的反電勢(shì)是梯形波的。而 PMSM繞組結(jié)構(gòu)產(chǎn)生正弦型的反電勢(shì),PMSM定子繞組產(chǎn)生正弦型的反電勢(shì),BLDC的定子繞組產(chǎn)生的反電勢(shì)是梯形波,5,學(xué)習(xí)研究,2. 工作原理,1）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)如何產(chǎn)生？ BLDC本質(zhì)上是一種同步電機(jī)，即定子繞組通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，吸引轉(zhuǎn)

3、子磁極與之對(duì)準(zhǔn)，產(chǎn)生軸的運(yùn)動(dòng)。 假定電機(jī)定子為3相6極，相對(duì)應(yīng)極的兩個(gè)繞組首尾相接組成一相繞組，3相繞組星型連接,6,學(xué)習(xí)研究,當(dāng)電流流過(guò)流過(guò)兩個(gè)繞線方向相同的鐵芯線圈時(shí)，電流方向不同，產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向也不同。 假如電流從A相繞組流進(jìn)，從B相繞組流出，A相繞組產(chǎn)生從COM 端指向A端的磁勢(shì)， B相繞組產(chǎn)生從B端指向COM端的磁勢(shì),F,7,學(xué)習(xí)研究,6步通電順序,為產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，三相繞組按按如下規(guī)則通電： 每步三個(gè)繞組中一個(gè)繞組流入電流，一個(gè)繞組流出電流，一個(gè)繞組不導(dǎo)通；通電順序?yàn)椋?1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C- 每步僅一個(gè)繞組被換相。 每步

4、磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)60度，每6步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周,8,學(xué)習(xí)研究,隨著磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，吸引轉(zhuǎn)子磁極隨之旋轉(zhuǎn)。 磁場(chǎng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)：123456 磁場(chǎng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)：654321 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C,9,學(xué)習(xí)研究,2）如何實(shí)現(xiàn)換相,1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C- 必須換相才能實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)。 在無(wú)刷電機(jī)中，根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的位置實(shí)現(xiàn)換相。 要想根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的位置換相，就必須知道轉(zhuǎn)子磁極的位置。 并不需要連續(xù)的位置信息，僅知道換相點(diǎn)的位置即可。 在BLDC中，一般采用3個(gè)開(kāi)關(guān)型

5、霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置。 由其輸出的3位二進(jìn)制編碼去控制逆變器中6個(gè)功率管的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)換相,10,學(xué)習(xí)研究,開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器,霍爾元件+信號(hào)處理電路=霍爾傳感器 利用霍爾效應(yīng)，當(dāng)施加的磁場(chǎng)達(dá)到“動(dòng)作點(diǎn)”時(shí)，OC門(mén)輸出低電壓，稱這種狀態(tài)為“開(kāi)”; 當(dāng)施加磁場(chǎng)達(dá)到“釋放點(diǎn)” 使OC門(mén)輸出高電壓，稱其為“關(guān)” 施密特觸發(fā)器通過(guò)引入“磁場(chǎng)門(mén)限”消除振蕩現(xiàn)象,11,學(xué)習(xí)研究,如果將一只霍爾傳感器安裝在靠近轉(zhuǎn)子的位置，當(dāng)轉(zhuǎn)子N極靠近霍爾傳感器即磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，其輸出是導(dǎo)通狀態(tài)； 導(dǎo)通狀態(tài)保持直到電機(jī)旋轉(zhuǎn)使得S極靠近霍爾傳感器并達(dá)到一定值時(shí)，其輸出才翻轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)。 在S-N交替變化磁場(chǎng)下，傳感器輸

6、出波形占高、低電平各占50%。 如果轉(zhuǎn)子是一對(duì)極，則電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周霍爾傳感器輸出一個(gè)周期的電壓波形，如果轉(zhuǎn)子是兩對(duì)極，則輸出兩個(gè)周期的電壓波形,無(wú)刷電機(jī)中霍爾傳感器輸出波形及編碼,12,學(xué)習(xí)研究,霍爾傳感器間隔120度時(shí)的輸出波形及編碼,直流無(wú)刷電機(jī)中一般安裝3個(gè)霍爾傳感器，間隔120度或60度按圓周分布。 如果間隔120度，則3個(gè)霍爾傳感器的輸出波形相差120度 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180度后轉(zhuǎn)子磁極極性轉(zhuǎn)換，因此輸出信號(hào)中高、低電平各占180度。 如果規(guī)定輸出信號(hào)高電平為“1”，低電平為“0”，則輸出的三個(gè)信號(hào)可用3位二進(jìn)制編碼表示。 每60度編碼改變一次,13,學(xué)習(xí)研究,霍爾傳感器間隔60度時(shí)的輸出波

7、形及編碼,如果3個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)間隔60度，則輸出波形相差60度電角度。 間隔120度與60度的二進(jìn)制編碼是不同的。但也是每60度電角度，編碼改變一次，輸出信號(hào)中高、低電平各占180度,111 110 100 000 001 011 111 110,A,B,C,14,學(xué)習(xí)研究,多對(duì)轉(zhuǎn)子磁極時(shí)霍爾傳感器的輸出波形及編碼,當(dāng)轉(zhuǎn)子為兩對(duì)磁極時(shí)，如轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周即360度機(jī)械角度時(shí)霍爾傳感器輸出兩個(gè)周波即720度電角度。 機(jī)械角度是指電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度,由m表示； 電角度是指磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)角度，由e表示。 當(dāng)轉(zhuǎn)子為一對(duì)極時(shí)，m=e；當(dāng)轉(zhuǎn)子為n對(duì)極時(shí)，e=nm。 例如，所示的BLDC 電機(jī)轉(zhuǎn)子有兩對(duì)磁極， 3個(gè)霍爾

8、開(kāi)關(guān)間隔60度。兩周電氣旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于一周機(jī)械旋轉(zhuǎn)。 每60度電角度編碼改變一次。輸出信號(hào)中高、低電平各占180度,15,學(xué)習(xí)研究,換相過(guò)程假定定子繞組為3相，轉(zhuǎn)子為2對(duì)極，3個(gè)霍爾傳感器間隔 60度按圓周分布，由6只晶體管組成的逆變器給電機(jī)供電,從霍爾傳感器輸出的二進(jìn)制編碼控制6個(gè)功率管的導(dǎo)通，可由邏輯電路實(shí)現(xiàn)，也可由軟件編程實(shí)現(xiàn),1.A+C- 2.A+B- 3.C+ B- 4.C+A- 5.B+A- 6. B+C,16,學(xué)習(xí)研究,3、力矩和速度的控制,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由電磁感應(yīng)定律分別在三相定子繞組中產(chǎn)生三個(gè)反電勢(shì)。 反電勢(shì)的大小取決于3個(gè)因素：轉(zhuǎn)子的角速度、由轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)和定子繞組的

9、匝數(shù)。 Ea=Eb=Ec=Ke 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)專門(mén)的磁路設(shè)計(jì)，可獲得梯形波的氣隙磁場(chǎng)，定子采用集中整距繞組，因而感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)也是梯形波的。 由逆變器提供與電動(dòng)勢(shì)嚴(yán)格同相的方波電流,17,學(xué)習(xí)研究,BLDC電機(jī),從功率平衡的角度考慮 T=EaIa+EbIb+EcIc 又因?yàn)镋=Ke,且在所有的時(shí)間都只有兩相繞組流過(guò)相同電流， T=2KeIa 可見(jiàn)，力矩與定子繞組電流成正比，改變電流即改變力矩,特點(diǎn)：定子電流為方波，反電動(dòng)勢(shì)為梯形波，且在每半個(gè)周期內(nèi)，方波電流的持續(xù)時(shí)間為120電角度，梯形波反電動(dòng)勢(shì)的平頂部分也為120電角度，兩者應(yīng)嚴(yán)格同步,18,學(xué)習(xí)研究,定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的角度

10、關(guān)系,按照電機(jī)統(tǒng)一規(guī)律，必須保證s-r為90度，才能取得最大轉(zhuǎn)矩。 因旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是60度增量，看來(lái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)這個(gè)關(guān)系。 但通過(guò)適當(dāng)?shù)陌才趴蓪?shí)現(xiàn)平均90度的關(guān)系。 如果每一步都使離轉(zhuǎn)子磁極120度的定子磁勢(shì)所對(duì)應(yīng)的繞組導(dǎo)通，并且當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)60度后換相，如此重復(fù)每一步，則可使定子磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相差60-120度，平均90度,19,學(xué)習(xí)研究,轉(zhuǎn)子總是朝著著能使s-r減小的方向運(yùn)動(dòng), 一直延續(xù)到下一次換相瞬間. 即轉(zhuǎn)子從s-r為120一直運(yùn)動(dòng)到s-r為60, 然后定子電流換相, 定子繞組的磁動(dòng)勢(shì)向前步進(jìn)60. 結(jié)果s-r又變?yōu)?20, 接著轉(zhuǎn)子又朝s-r減小的方向運(yùn)動(dòng), 如此反復(fù), 就產(chǎn)生了定子磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子

11、磁勢(shì)相差60-120度，平均90度的關(guān)系,20,學(xué)習(xí)研究,力矩的波動(dòng),換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)：每次換相時(shí)，由于繞組電感的作用電流不能突變，電流的過(guò)渡過(guò) 程 產(chǎn)生力矩波動(dòng)。 由于轉(zhuǎn)矩存在波動(dòng)，限制了它在對(duì)速度變化比較敏感的場(chǎng)合的應(yīng)用。但當(dāng)速度較高時(shí)，負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)對(duì)此產(chǎn)生平滑作用,21,學(xué)習(xí)研究,速度的控制,無(wú)刷直流電機(jī)和有刷直流電機(jī)相似，改變定子繞組電壓的幅值即能改變電機(jī)速度。 但無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與永磁交流同步電機(jī)一樣，實(shí)質(zhì)上是一種同步電動(dòng)機(jī)。 表面上通過(guò)改變電壓控制速度，實(shí)際上通過(guò)改變力矩改變電機(jī)速度，使霍爾傳感器發(fā)出的編碼信號(hào) 改變 逆變器換相的速度，從而改變電機(jī)的供電頻率，保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與供電頻率同

12、步。 因此是通過(guò)電壓和頻率的協(xié)調(diào)來(lái)控制轉(zhuǎn)速,22,學(xué)習(xí)研究,速度的控制,從電動(dòng)機(jī)本身看，它是一臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)，但是如果把它和逆變器 、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器 合起來(lái)看，就象是一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)。 直流電機(jī)電樞里面的電流本來(lái)就是交變的，只是經(jīng)過(guò)換向器和電刷才在外部電路表現(xiàn)為直流。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器替代機(jī)械式換向器和電刷。 歷史上無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)有過(guò)交流伺服電機(jī)、梯形波交流伺服電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)等多種稱呼,23,學(xué)習(xí)研究,永磁交流同步電機(jī)也是通過(guò)傳感器檢測(cè)電機(jī)位置，從而改變dq坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度也即電壓頻率(磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度）來(lái)改變電機(jī)速度的。 控制系統(tǒng)也和DC系統(tǒng)一樣，要求不高時(shí)，可采用開(kāi)環(huán)調(diào)速，要

13、求較高時(shí)可采用速度回路和電流回路改善性能。 無(wú)論是開(kāi)環(huán)還是閉環(huán)系統(tǒng)，都必須具備轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)、發(fā)出換相信號(hào)、調(diào)速時(shí)對(duì)直流電壓的PWM控制等基本功能,24,學(xué)習(xí)研究,BLDC電機(jī)的速度-力矩特性曲線,在連續(xù)工作區(qū)，電機(jī)可被加載直至額定轉(zhuǎn)矩Tr. 在電機(jī)起停階段，需要額外的力矩克服負(fù)載慣性。這時(shí)可使其短時(shí)工作在短時(shí)工作區(qū)，只要其不超過(guò)電機(jī)峰值力矩Tp且在特性曲線之內(nèi)即可,25,學(xué)習(xí)研究,4、PWM控制技術(shù),為了使BLDC 電機(jī)速度可變，必須在繞組的兩端加可變電壓。 利用PWM控制技術(shù)，通過(guò)控制PWM 信號(hào)的不同占空比，則繞組上平均電壓可以被控制，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和力矩。 在控制系統(tǒng)中采用DSP或單片

14、機(jī)時(shí)，可利用器件中的PWM產(chǎn)生模塊產(chǎn)生PWM波形。 根據(jù)轉(zhuǎn)速要求設(shè)定占空比，然后輸出6路PWM信號(hào)，加到6個(gè)功率管上,26,學(xué)習(xí)研究,例：由dsPIC30F2010的PWM 模塊產(chǎn)生PWM信號(hào)的機(jī)制,27,學(xué)習(xí)研究,當(dāng)下橋臂的功率管由導(dǎo)通到關(guān)斷時(shí)，上橋臂的功率管延時(shí)一段時(shí)間再由關(guān)斷到導(dǎo)通，以防止橋臂直通。 這個(gè)延時(shí)時(shí)間稱為”死區(qū)”。 死區(qū)可通過(guò)編程改變,28,學(xué)習(xí)研究,MCPWM的PWM時(shí)基模塊中有一個(gè)專用的16位PTMR計(jì)數(shù)器和一個(gè)PTPER 數(shù)字寄存器，PTMR對(duì)定時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)，PTPER中置入的數(shù)字確定了PWM信號(hào)的周期。PTMR計(jì)數(shù)器啟動(dòng)計(jì)數(shù)后，其計(jì)數(shù)值與PTPER中置入的數(shù)字值比較，兩

15、者一致時(shí)，就輸出一個(gè)周期的PWM信號(hào)。改變PTPER的值，就可以方便的改變計(jì)數(shù)的周期，這樣就可以改變PWM波形的頻率。 PWM 發(fā)生器#中PDC數(shù)字寄存器中置入的數(shù)字確定了PWM信號(hào)的占空比。比較器將設(shè)定的比較值PDC*與PTMR計(jì)數(shù)值相比較，產(chǎn)生PWM波形的跳變。只要實(shí)時(shí)PDC*的值，就可以改變單位周期內(nèi)高電平或者低電平的脈沖寬度，產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波形。 通過(guò)占空比比較產(chǎn)生的三個(gè)輸出將被分別傳輸給死區(qū)置入及輸出寄存器，可以在高電平變低與低電平變高之間插入一段死區(qū)。以防止輸出驅(qū)動(dòng)器發(fā)生意外的直通現(xiàn)象。 特殊函數(shù)寄存器OVDCOND中的各位 直接控制6個(gè)PWM輸出通道。當(dāng)位為1時(shí)，已建立的

16、占空比信號(hào)出現(xiàn)在該位所對(duì)應(yīng)的輸出通道上，當(dāng)位為0時(shí)，其輸出被禁止,29,學(xué)習(xí)研究,OVDCOND寄存器的值由霍爾傳感器輸出的二進(jìn)制編碼繞組通電順序決定,A+C- A+B- C+B- C+A- B+A- B+C,30,學(xué)習(xí)研究,例1 由單片機(jī)控制的開(kāi)環(huán)BLDC系統(tǒng),31,學(xué)習(xí)研究,例2 單片三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器SI9979,32,學(xué)習(xí)研究,SI9979特點(diǎn),霍爾傳感器輸入信號(hào)處理，60及120度間隔選擇，提供霍爾傳感器電源。 自動(dòng)換相功能 集成逆變器高端驅(qū)動(dòng) PWM輸入及處理 電流限制，欠電壓保護(hù) 20到40電源電壓,33,學(xué)習(xí)研究,例3: 由DSP控制的閉環(huán)BLDC系統(tǒng),34,學(xué)習(xí)研究,BLDC的特點(diǎn),與DC電機(jī)比較：由于沒(méi)有電刷的機(jī)械摩擦，使其具有高可靠性、高效率、免維護(hù)、無(wú)噪聲、高速度范圍、容易散熱等優(yōu)點(diǎn)。 與PMSM電機(jī)